一种表征半导体器件结特性的方法技术

本发明专利技术公开了一种表征半导体器件结特性的方法，该方法是一种基于并联或串联模式以正向交流电特性结合直流I‑V测量来精确表征二极管的系统方法，克服了传统半导体器件表征技术信息量少的缺陷，可以得到器件内部结电容、结电导、串联电阻、理想因子和结电压随外加电压和电流的精确函数关系。解决了半导体器件内部结特性表征的难题，揭示了实际工作中的半导体器件的内部电学输运机制，为设计和制备高性能的半导体光电子器件提供了技术指导。

【技术实现步骤摘要】
一种表征半导体器件结特性的方法
本专利技术是关于半导体器件的，特别涉及一种可精确表征二端子半导体器件(包括肖特基结、发光二极管，激光二极管、PN结等)在正向电压下的内部结特性的精确方法。
技术介绍
半导体光电子器件是目前应用最为广泛的光电子器件之一。包括肖特基结和包括LD和LED的p-n结半导体二极管主要工作于正向，但长期以来二极管的正向电学特性的表征和测量的方法过于简单和粗略，这一直是制约器件特性和微观机制研究的“软肋”。国内外各种器件正向电特性的研究在很大程度上都依赖于I-V方法，但I-V方法所包含的信息量是极为有限的，只能把串联电阻、理想化因子作为常量来处理，无法精确给出器件内部结参量与外加电压和电流的函数关系。基于I-V方法拓展的被广泛使用的lnI－V方法，尽管这种方法很方便和直观，但是在二极管开启后的较大电压下，串联电阻的影响越来越明显，另外理想因子和串联电阻一般又都不是常量，从而使二极管电参数的实际求解变得非常困难。电导数技术(IdVdI)已成为检测激光二极管的性能和测定其阈值、理想因子、串联电阻的常用方法。但是，对于相当部分的实际的半导体激光器，其IdVdI曲线在阈值以前的部分并非呈直线形状，这主要是由二极管的理想因子或串联电阻并非常量造成，因此，理想因子、串联电阻的值也就不能由此线性方法求解，即使勉强做也不能得到准确的数值。其他基于I-V技术拓展的方法也都无一列外的存在假定串联电阻或其他物理参量为常数的限制。已有的交流C-V特性的研究方法则主要适用于反向测量，长期以来，人们一直把二极管作为黑盒子直接测试所得的正向并联表观电容就当作结电容，但二者在较大的正向电压下却相去甚远。因而，在这个领域出现了种种令人费解的现象。例如，施敏(晶体管创始人，诺奖获得者)等人虽然早就发展了p-n结的正向扩散电容理论，但是几十年来就是找不到实验数据的支持。这其中至少有两方面的原因：一是研究者往往把表观电容与结电容等同；二是实际的器件的特性远不像他们理论展示的那么简单。截止目前，还未见到有能够直接表征半导体二端子器件内部结电压、串联电阻、理想因子、准费米能级差等电学物理参量的精确表征方法。
技术实现思路
本专利技术的目的，是克服传统半导体器件表征技术所提供的信息量少的缺陷，提供一种可以精确表征半导体器件内部结特性的方法，以实时表征器件内部结特性与外加电压和电流的函数关系。本专利技术的一种表征半导体器件结特性的方法，具有如下步骤：(一)利用精密仪器测量二端子器件的直流I-V特性，同时摒弃假定串联电阻或理想因子为常数这一论断，设n＝n(Vj)和rS＝rS(Vj)，则肖克莱方程简化为：其中，n为理想因子，Is为反向饱和电流，Vj为器件结电压，rs为器件串联电阻，k为波尔兹曼常数，T为温度，结电压与串联电阻的关系为Vj＝V-Irs。对方程(1)两边取对数，可以得：由(2)式可以推得理想因子与结电压之间的关系：再由肖克莱方程式(1)对结电压微分，则可得到结微分电导G的关系式：(二)利用精密阻抗谱在交流小信号下，测量并联模式下的器件的交流阻抗谱特性，主要是测量表观电导和表观电容随外加电压或电流的关系(Cp-V和Gp-V)。利用实际二极管与并联模式等效电路图中的复阻抗相等的关系(如图1(a)和图1(b))，可以得到表观电容、表观电导和器件内部结电容、结电导、串联电阻之间的关系：(三)考虑到器件实际工作电压的范围，满足G＞＞ωC，方程(5)和(6)自然简化成：则根据方程式(3)、(4)、(7)以及结电压与外加电压的关系Vj＝V-Irs，则可以得到以下方程组，进而迭代拟合或者近似求解该方程组：其中Gp和Cp为表观电导和表观电容。若步骤(三)在串联模式下的交流阻抗测量，则只需要将方程式(9)中rS＝1/Gp-1/G换成方程rS＝RS-1/G，其中Rs是串联模式下等效电路中串联电阻。通过上述方程组的求解可以得到方程中物理参量包括结电压、串联电阻、理想因子、结电导随外加电压和电流的精确函数关系；同时，再利用测量的表观电容Cp和得到的结电导G还可以获得结电容随外间电压或者电流的精确函数关系。本专利技术主要考察了当前表征二端子器件的各种方法，发现无一不是建立在某种假定之上；重点要解决在大正向电压工作下的二端子器件的输运机制；本专利技术的难点在于将直流特性与和交流特性统一，编写软件一并求解；本专利技术的创新点在于不必假定实际器件的串联电阻或者理想因子等物理参量为常数，而是直接将两端子器件的正向直流电学特性与交流特性一并表征求解，得出实际工作的器件的内部物理参量。本专利技术解决了半导体器件内部结特性表征的难题，揭示了实际工作中的半导体器件的内部电学输运机制，为设计和制备高新能的半导体光电子器件提供了技术指导。本专利技术可精确得到p-n、半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管、肖特基二极管等器件的串联电阻理想因子等内部物理参量随外加电压或者电流的函数关系，从而可以清晰判定出器件的输运机制，推动半导体器件物理的发展。例如，从理想因子n的大小，可以判定在不同电压下，器件内部发生的是辐射复合还是非辐射复合；从观察到的多量子阱激光器的结电压，得出了两个物理概念结电压和电子空穴的准费米能级差在阱内外存在差异。同时，利用该方法精确表征的器件内部物理参量的特性，还可以为设计和制备出更高性能的器件提供指导，例如从串联电阻特性结合理想因子特性，可为进一步降低串联电阻，从而减小功耗提高器件特性提出指导方案。附图说明图1是本专利技术一种表征半导体器件结特性方法的等效电路图；图2是实施例1的结电压、串联电阻随电流的变化图；图3是实施例2的结电压、串联电阻随电流的变化图。附图标记如下：C———结电容G———结电导rs———串联电阻Cp———直接测量的表观电容Gp———直接测量的表观电导Rs———串联模式下直接测量的电阻Cs———串联模式下直接测量的电容.Vj———结电压具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步说明。除非特别说明，本专利技术中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。实施例1以对波长为780nm的GaAs基激光二极管(LD)结电压、串联电阻、理想因子特性表征为例进行阐述，参见图2，其中方形空心框曲线表示器件结电压曲线，实心圆曲线表示器件串联电阻曲线。(1)利用精密阻抗分析仪器(惠普、安捷伦、国产仪器均可以)测量器件的直流I-V特性，考虑到所有测量仪器本身存在内阻，则可以选择以电流为步长(1mA或者更低都可以)。(2)测量交流小信号下的交流特性。图1是本专利技术表征半导体器件结特性方法的等效电路图，其中图1(a)为实际器件的等效电路图，图1(b)是测量过程中采用的并联模式的等效电路图，图1(c)是串联模式的等效电路图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表征半导体器件结特性的方法，具有如下步骤：/n(一)利用精密仪器测量二端子器件的直流I-V特性，同时摒弃假定串联电阻或理想因子为常数这一论断，设n＝n(V

【技术特征摘要】
1.一种表征半导体器件结特性的方法，具有如下步骤：
(一)利用精密仪器测量二端子器件的直流I-V特性，同时摒弃假定串联电阻或理想因子为常数这一论断，设n＝n(Vj)和rS＝rS(Vj)，则肖克莱方程简化为：



其中，n为理想因子，Is为反向饱和电流，Vj为器件结电压，rs为器件串联电阻，k为波尔兹曼常数，T为温度，结电压与串联电阻的关系为Vj＝V-Irs；对方程(1)两边取对数，可以得出：



由方程式(2)可以推得理想因子与结电压之间的关系：



再由肖克莱方程式(1)对结电压微分，则可得到结微分电导G的关系式：



(二)利用精密阻抗谱在交流小信号下，测量并联模式下的器件的交流阻抗谱特性，主要是测量表观电导和表观电容随外加电压或电流的关系(Cp-V和Gp-V)。利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯列峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12